Vodní teplovodní soustavy jsou komplexní hydraulické soustavy, ve kterých je provoz jednotlivých částí vzájemně závislý. Pro správné ovládání a regulaci je nutné znát hydraulické charakteristiky provozního zařízení – oběhových čerpadel a sítí.
Hydraulický režim systému je určen průsečíkem hydraulických charakteristik čerpadla a sítě. Na Obr. 1 křivka – charakteristika čerpadla; křivka 2 — charakteristiky topné sítě; tečka А — průsečík těchto charakteristik určuje hydraulický režim systému; Н— tlak vyvíjený čerpadlem rovný tlakové ztrátě v uzavřeném systému; V — objemový průtok čerpadla rovný průtoku vody v systému.
Hydraulická charakteristika čerpadla se nazývá tlaková závislost Н nebo tlakový rozdíl Ap vytvořený čerpadlem, z objemového průtoku čerpadla V.
Charakteristiky čerpadla jsou obvykle určeny výrobci nebo mohou být sestaveny z testovacích dat.
Obr. 1.1 Hydraulické charakteristiky čerpadla a topné sítě
Při konstantní rychlosti otáčení oběžného kola lze pracovní část charakteristiky odstředivého čerpadla přibližně popsat rovnicí
H=H–sV 2 , (1.1)
kde H — podmíněný tlak čerpadla při průtoku V = 0;
s — podmíněný vnitřní odpor čerpadla, m s 2 /m.
Přílohy 12-13 ukazují charakteristiky řady síťových čerpadel používaných v moderních topných systémech.
Při konstantní rychlosti je výkon spotřebovaný čerpadlem
N = NH[x+V/VH (1-X)] (1.2)
kde VH, NH — průtok a výkon čerpadla při jmenovitém režimu (při maximální účinnosti);
N— výkon čerpadla na zdroji V;
х = NX/NH — koeficient volnoběžných otáček;
Nx — výkon čerpadla při volnoběhu (K = 0).
Koeficient naprázdno odstředivých čerpadel je v rozmezí 0,2
Výkon, W, spotřebovaný čerpadlem ve jmenovitém režimu, je určen vzorcem
kde ∆рн — pokles tlaku vyvíjený čerpadlem při jmenovitém režimu, Pa;
VH — průtok čerpadla, m 3 /s;
– účinnost čerpací jednotky (součin účinnosti čerpadla ηн Účinnost elektromotoru ηд).
Průměrně v nominálním režimu D)н = 0,7-0,8. Protože tlaková ztráta v tepelných sítích se zpravidla řídí kvadratickým zákonem, charakteristika topné sítě je kvadratická parabola popsaná rovnicí
H = sнV 2 (1.3)
p=sV 2 (1.4)
kde ∆H— tlaková ztráta, m;
∆р — pokles tlaku, Pa;
V— spotřeba vody, m/s;
sH — odpor sítě vyjádřený v jednotkách tlaku (tlaková ztráta při V – 1),
— odpor sítě vyjádřený v jednotkách tlaku (pokles tlaku při V = 1), Pas2/m6;
ρ—hustota vody, kg/m;
gravitační zrychlení; y je měrná hmotnost vody, N/m.
Ze společného řešení (1.3) a (1.4) zjistíme
s=AR(l + lЭ)p/d 5.25 ; (1.5a)
sH = AR(l + lЭ)/gd 5. 25, (1.5b)
kde AR= 0,08940k 0. 25, m 0.25.
Jak je patrné z (1.5), odpor sítě s závisí na jejích geometrických rozměrech, absolutní drsnosti vnitřního povrchu potrubí, ekvivalentní délce místních odporů a hustotě chladiva, ale nezávisí na průtoku chladiva. Pro daný stav sítě lze její charakteristiky konstruovat pomocí jednoho známého režimu. Pro určení odporu s stačí znát pro jeden konkrétní režim průtok vody V a tlakovou ztrátu ∆р odpovídající tomuto průtoku.
Zjištěný odpor se vztahuje k teplotě chladicí kapaliny, ke které došlo v tomto režimu. Když se změní teplota chladicí kapaliny, odpor sítě by se měl, přísně vzato, měnit úměrně její hustotě:
Pokud však na základě provozních údajů zjistíme odpor při průměrné teplotě chladicí kapaliny, pak za provozních podmínek sítí ohřevu vody nemůžeme brát v úvahu závislost odporu na teplotě vody, protože míra změny hustoty vody v rámci teplotních změn probíhajících v topné síti je nevýznamná.
Odpor Sн běžně používané při konstrukci piezometrických grafů. Na rozdíl od odporu Sн nezávisí na hustotě chladicí kapaliny.
Když se změní rychlost otáčení odstředivého čerpadla, změní se také jeho charakteristika. Objemový průtok (průtok), tlak a požadovaný výkon čerpadla souvisí s frekvencí jeho otáčení:
kde v1H1, N1 – průtok, tlak a výkon při rychlosti otáčení p1;
V2, H2, N2 – stejné ukazatele při rychlosti otáčení n2.
Na Obr. 1.2 ukazuje charakteristiku čerpadla při dvou rychlostech n1 и n2.
Rýže. 1.2. Hydraulický režim systému při různých rychlostech čerpadla
Rovnice charakteristik čerpadla při otáčkách n1 (křivka 1)
S odporem sítě sc provozní bod čerpadla А se zjistí z podmínky, že tlak vyvíjený čerpadlem se rovná tlakové ztrátě v topné síti:
Při změně rychlosti otáčení z n1 na n2 pracovní bod čerpadla se pohybuje od bodu А přesně tak В. Při rychlosti otáčení n2 podmíněný tlak vyvíjený čerpadlem při nulovém průtoku (V=0),
S touto rovnicí má charakteristika čerpadla (křivka 2) tvar
Z podmínky rovnosti tlaku vyvinutého čerpadlem vyplývá ztráta tlaku v topné síti
S rostoucím odporem topné sítě sc tlak vyvíjený čerpadlem se zvyšuje a jeho průtok klesá.
na Sc=∞, V=0 и H=H charakteristika čerpadla se shoduje s ordinátní osou. Na sc = , и H=0 charakteristika čerpadla se shoduje s osou x. Na 0 sc < ∞.>V> 0 0HH0.
Na stanici často spolupracuje několik čerpadel. Pro určení způsobu jejich společné činnosti je nutné sestrojit souhrnnou charakteristiku. Pořadí sčítání charakteristik čerpadel závisí na způsobu jejich aktivace. Pokud jsou čerpadla zapojena paralelně, pak je celková charakteristika konstruována sečtením nákladů (průtoků) při stejných tlacích. Například, jestliže (obr. 1.3, a) AB je charakteristika čerpadla / a AC je charakteristika čerpadla 2, pak celkovou charakteristikou těchto čerpadel je křivka AD. Každá úsečka křivky AD je rovna součtu úseček křivek AB a AC. Například ab + ac = reklama.
Celková charakteristika skupiny m čerpadel zapojených paralelně a majících stejné charakteristiky je popsána přibližnou rovnicí
Rýže. 1.3. Konstrukce celkových charakteristik čerpadel
a – zapojeny paralelně; b – zapojen do série
kde je tlak čerpací skupiny;
— podmíněný vnitřní odpor skupiny čerpadel,
ΣV— celkový objemový průtok čerpací skupiny.
Konstrukce celkových charakteristik čerpadel zapojených v sérii se provádí sčítáním tlaků při stejných průtokech. Například pokud (obr. 1.3, b) AB je charakteristika čerpadla 1 a CD je charakteristika čerpadla 2, pak bude celková charakteristika obou čerpadel reprezentována křivkou KL. Každá pořadnice křivky KL je rovna součtu souřadnic křivek AB a CD. Například ab + ac= al.
Celková charakteristika skupiny m čerpadel zapojených v sérii, majících stejné charakteristiky, je popsána přibližnou rovnicí
Hnoc = n (H–sV 2 ). (1.96)
Stupeň změny napájení při paralelním zapojení čerpadel závisí na typu síťové charakteristiky. Čím plošší má síťová charakteristika, tzn. menší sc, tím efektivnější je paralelní zapojení čerpadel. Čím strmější je charakteristika sítě, tzn. čím více sc, tím menší účinek poskytuje paralelní připojení.
Rýže. 1.4. Změna průtoku vody v síti při paralelním zapnutí čerpadel
Na Obr. 1.4 ukazuje souhrnné charakteristiky dvou paralelně zapojených čerpadel se stejnými charakteristikami: AB – vlastnosti jednoho čerpadla, AD — souhrnná charakteristika dvou čerpadel. Pokud charakteristika sítě vypadá jako čára na obrázku OK, pak když je v provozu jedno čerpadlo, je do sítě dodáván objem V1 vody, a když jsou v provozu dvě čerpadla, objem V2. Dvě čerpadla tedy dodávají více vody než jedno. Pokud má síťová charakteristika tvar OL, pak zůstává přívod vody stejný, jak s jedním, tak se dvěma čerpadly.
Při navrhování čerpacích zařízení sestávajících z několika čerpadel pracujících paralelně by měla být vybrána všechna čerpadla se stejnými charakteristikami a projektovaný průtok každého z nich by měl být považován za rovný celkovému průtoku vody dělenému počtem čerpadel v provozu, nepočítaje pohotovostní režim. jedničky.
Průtok čerpadel při sériovém zapojení závisí také na typu síťové charakteristiky. Čím strmější je charakteristika sítě, tzn. více sc, tím efektivnější je sekvenční připojení.
Stanovení celkových charakteristik sítě lze provádět jak graficky, tak analyticky. Způsob grafického sčítání charakteristik úseků sítě je podobný grafickému sčítání charakteristik čerpadel. V praxi je vhodnější shrnout charakteristiky úseků sítě analyticky. V tomto případě se používá následující pravidlo, které vyplývá z kvadratického vztahu mezi tlakovou ztrátou a průtokem vody: celkový odpor je roven aritmetickému součtu odporů sekcí zapojených do série.
Nechte (obr. 1.5, a) s1, s2 и s3 — odpor tří po sobě jdoucích částí sítě. Celkový odpor těchto sekcí
Pokud jsou sekce zapojeny paralelně, pak pro shrnutí charakteristik je vhodné použít jiný hydraulický indikátor – vodivost, která je chápána jako převrácená hodnota druhé odmocniny odporu:
Rýže. 1.5. Sériové (a) a paralelní (b) připojení sekcí topné sítě
Nechte (obr. 1.5, b) a1, а2a3 — vodivost tří paralelně propojených úseků sítě. Celková vodivost těchto sekcí je rovna jejich aritmetickému součtu
a = a1 + а2 + a3. (1.116)
Sčítání charakteristik úseků topné sítě se tedy provádí podle následujícího pravidla: při sériovém zapojení se odpory sečtou, při paralelním zapojení se přičte vodivost.
Na Obr. 1.3 je způsob konstrukce celkové charakteristiky paralelně pracujících čerpadel platný pouze tehdy, jsou-li tato čerpadla umístěna ve stejné jednotce, tzn. připojené ke stejnému přívodnímu a vratnému potrubí. Pokud jsou paralelně pracující čerpadla umístěna v různých uzlech soustavy zásobování teplem, je pro konstrukci jejich celkové charakteristiky nutné nejprve redukovat charakteristiky těchto čerpadel nebo čerpacích jednotek na jeden společný uzel.
Způsob přivedení charakteristik čerpadel do daného uzlu systému zahrnuje algebraické sčítání tlaků čerpadel s tlakovou ztrátou v potrubí spojujícím čerpadlo s daným uzlem.
Na Obr. 1.6 je znázorněno schéma topné sítě se dvěma paralelně pracujícími čerpacími jednotkami A a B, které dodávají vodu do oblasti zásobování teplem, obvykle znázorněné jako jeden spotřebič tepla P.
Z čerpadla A proudí voda do oblasti zásobování teplem přes část hlavní topné sítě C. Pro konstrukci souhrnných charakteristik dvou čerpacích jednotek je nutné nejprve poskytnout charakteristiku čerpadla. А z uzlu 1-1, kde je nainstalován, v uzlu 2-2kde je čerpadlo instalováno Б. Toto snížení je znázorněno na Obr. 1.6, б и в. Na dané vlastnosti čerpadla А2 tlaky při jakémkoli průtoku vody se rovnají rozdílu skutečných tlaků vyvinutých tímto čerpadlem, popsaných charakteristikou A1, a tlakové ztráty v síti při
Rýže. 616. Konstrukce hydraulických charakteristik systému s čerpacími jednotkami zahrnutými v různých jednotkách:
а – schematický diagram; б — snížení charakteristik čerpadla А do uzlu 2-2; в — stanovení průtoků a tlaků vody během paralelního provozu čerpadel
Po uvedení charakteristik čerpadel А и Б do stejného společného uzlu 2-2 přidávají se podle obvyklého způsobu přidávání charakteristik paralelně pracujících čerpadel, znázorněných na Obr. 1.3, a. Na Obr. 1.6, ukazuje dané charakteristiky čerpadla А (A2), charakteristika čerpadla B, jejich celková charakteristika (A2 + B) a charakteristiky spotřebního systému P. Jak je vidět z obrázku, když je v provozu pouze jedno čerpadlo Б tlak v uzlu je roven , průtok vody je . Při připojení druhého čerpadla Л tlak v uzlu 2-2 zvyšuje na N> a celkový průtok vody čerpací jednotkou se zvýší na V>. Nicméně přímá dodávka čerpadlem Б klesá na .
Na Obr. 6.7 ukazuje charakteristiky čerpadel I и II, jejich celkové vlastnosti (I+ II) a charakteristiky sítě П, pro kterou pracují.
Když běží pouze jedno čerpadlo I do sítě II vyvinutý tlak se rovná Н1 a přívod vody do sítě V1. Podobně při provozu jednoho čerpadla II do sítě П vyvinutý tlak se rovná Н2 a zásobování vodou V2. Když obě čerpadla pracují v síti současně П vyvinutý tlak se rovná N a přívod vody do sítě se rovná V. Kromě toho je napájení každého čerpadla při paralelním provozu menší než při samostatném provozu ve stejné síti. Takže v paralelním provozu průtok čerpadla a průtok čerpadla .
Rýže. 1.7. Paralelní provoz dvou čerpadel I a II pro společný systém P
Charakteristiku sítě P při paralelním provozu dvou čerpadel lze podmíněně reprezentovat jako celkovou charakteristiku dvou paralelně propojených sítí П I и П II. Odpor každé sítě a větší než celkový odpor s síť П.
Odolnost sítě П I
odolnost sítě П II
kde jsou podílové náklady toků , .
Z výše uvedených vztahů vyplývá, že
Tato rovnice může být také prezentována v jiné podobě:
Když tedy do systému vstoupí několik proudů vody současně, hydraulický odpor každého proudu se rovná odporu systému dělenému druhou mocninou dílčího průtoku tohoto proudu.
Hydraulické charakteristiky čerpacího systému
Systémy, ve kterých je čerpadlo instalováno, mohou být otevřené nebo uzavřené. Úkolem čerpadla v otevřeném hydraulickém systému je dopravovat kapalinu ze zdroje do požadovaného místa spotřeby, přičemž obvykle překonává kladný výškový rozdíl. V uzavřeném hydraulickém systému čerpadlo udržuje cirkulaci kapaliny v okruhu, ve kterém není geometrický rozdíl ve výšce. Energie na pohyb tekutiny v otevřeném systému se vynakládá na překonání kladného výškového rozdílu a hydraulického odporu potrubí. V uzavřeném cirkulačním okruhu je energie čerpadla vynakládána pouze na překonání hydraulického odporu v systému, protože výška stoupání kapaliny v tlakovém potrubí cirkulačního okruhu je plně kompenzována protitlakem v sacím potrubí.
Hydraulický (čerpací) systém se vyznačuje přítomností:
– vodní zdroj nebo zásobovací nádrž, ze které čerpadlo odebírá kapalinu;
– sací potrubí, kterým kapalina vstupuje do čerpadla (s výjimkou ponorných čerpadel);
– přívodní potrubí, do kterého čerpadlo vstřikuje kapalinu;
– přijímací nádrž, do které čerpadlo čerpá kapalinu ze zásobní nádrže.
Energii (tlak) potřebnou k přepravě 1 kg kapaliny ze zásobní nádrže do přijímací nádrže lze určit podle vzorce:
Hm a Ha – tlak v metrech vodního sloupce na volné hladině kapaliny v napájecí a přijímací nádrži. Jsou-li obě nádoby otevřené a na hladinu kapaliny působí atmosférický tlak (Hm – Ha) = 0;
Hg – geodetický rozdíl výšek hladin kapalin v metrech vodního sloupce v systému;
Hp – celková tlaková ztráta v metrech v sacím (s výjimkou ponorných čerpadel bez sacího potrubí) a přívodním potrubí. Tlakové ztráty jsou neproduktivní ztráty energie, když se voda pohybuje po sacích a přívodních cestách. Tlakové ztráty se obvykle dělí na lineární, tvořené třecími silami mezi kapalinou a stěnami potrubí, a lokální, tvořené změnami rychlosti a/nebo směru pohybu kapaliny. Pro výpočet ztrát se používají obecně uznávané grafy a tabulky lineárního a lokálního odporu v hydraulických systémech.
Tabulka tlakových ztrát v ocelových trubkách (v metrech na základě délky úseku 100 m).
Tabulka místních tlakových ztrát v ocelových trubkách (v centimetrech).
Jak je patrné z tabulek, určujícím faktorem lineárních a lokálních tlakových ztrát je lineární rychlost pohybu vody.
Zatímco hodnoty HmHaHg v rovnici skutečně zůstávají nezměněny s rostoucím průtokem, tlakovou ztrátou Hp zvýšení podle kvadratického zákona. Zvýšení tlakové ztráty k překonání odporu v potrubí také zvyšuje celkový tlak Hinutné k pohybu tekutiny. V tomto případě změna odporu systému Hp závisí na změně výkonu Q v systému.
Závislost hodnot Hi a změny průtoku na grafu jsou čárou celkového odporu nebo hydraulickou charakteristikou systému.
Vzájemný grafický průsečík hydraulických charakteristik čerpadla a systému bude odpovídat pracovnímu bodu čerpadla v systému. Konečným a nejdůležitějším závěrem je, že pracovní bod závisí nejen na vlastnostech čerpadla, ale také na vlastnostech hydraulického systému. Ke změně pracovního bodu stačí změnit odpor systému seřízením ventilu na přívodu čerpadla. K posunutí pracovního bodu směrem k požadovanému výkonu stačí změnit statickou složku tlaku. Například změňte hladinu kapaliny v zásobní nebo přijímací nádrži, abyste změnili výškový rozdíl Hg.
Chyba ve výpočtu charakteristik hydraulického systému povede k nepřesnému a neoptimálnímu výběru čerpadla. Jak se v praxi často stává, dodatečná výkonová rezerva nesprávně zvoleného většího čerpadla se promítne do vyššího výkonu i při těsných podmínkách škrcení, zvýší spotřebu energie a s největší pravděpodobností zkrátí životnost čerpadla v důsledku obecných negativních důsledků. provozu v méně než optimálním režimu.
